[论文解读] Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal, Part III

J. N. Abdurashitov, В. Н. Гаврин+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2009

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

该论文报告了SAGE实验对金属镓中太阳中微子捕获率的测量，测得能量高于233 keV的中微子捕获率为65.4 (+3.1/-3.0) stat (+2.6/-2.8) syst SNU。SAGE、Gallax和GNO的综合结果为66.1 ± 3.1 SNU，在考虑中微子振荡且假设锗-71低激发态的截面为零时，与标准太阳模型一致。

ABSTRACT

The Russian-American experiment SAGE began to measure the solar neutrino capture rate with a target of gallium metal in Dec. 1989. Measurements have continued with only a few brief interruptions since that time. We give here the experimental improvements in SAGE since its last published data summary in Dec. 2001. Assuming the solar neutrino production rate was constant during the period of data collection, combined analysis of 168 extractions through Dec. 2007 gives a capture rate of solar neutrinos with energy more than 233 keV of 65.4 (+3.1)(-3.0) (stat) (+2.6)(-2.8) (syst) SNU. The weighted average of the results of all three Ga solar neutrino experiments, SAGE, Gallex, and GNO, is now 66.1 +/- 3.1 SNU, where statistical and systematic uncertainties have been combined in quadrature. During the recent period of data collection a new test of SAGE was made with a reactor-produced 37Ar neutrino source. The ratio of observed to calculated rates in this experiment, combined with the measured rates in the three prior 51Cr neutrino-source experiments with Ga, is 0.87 +/- 0.05. A probable explanation for this low result is that the cross section for neutrino capture by the two lowest-lying excited states in 71Ge has been overestimated. If we assume these cross sections are zero, then the standard solar model including neutrino oscillations predicts a total capture rate in Ga in the range of 63-66 SNU with an uncertainty of about 4%, in good agreement with experiment. We derive the current value of the neutrino flux produced in the Sun by the proton-proton fusion reaction to be (6.0 +/- 0.8) x 10^(10)/(cm^2 s), which agrees well with the pp flux predicted by the standard solar model. Finally, we show that the data are consistent with the assumption that the solar neutrino production rate is constant in time.

研究动机与目标

• 使用SAGE实验以更高精度测量金属镓中太阳中微子捕获率。
• 利用1989年至2007年的长期数据，检验太阳中微子产生率是否随时间保持恒定。
• 利用反应堆和放射性同位素中微子源，评估测量捕获率与预测值之间的差异。
• 评估锗-71中激发态截面在解释观测捕获率中的作用。
• 测定太阳中微子的pp中微子通量，并与标准太阳模型预测值进行比较。

提出的方法

• 在巴克桑地下中微子观测站使用57吨金属镓靶，长期测量中微子捕获。
• 在1989年12月至2007年12月期间，共进行了168次从镓中提取锗-71的操作，以测量中微子捕获事件。
• 使用反应堆产生的³⁷Ar中微子源测试SAGE探测器响应，将观测捕获率与计算值进行比较。
• 通过合并统计与系统误差，对基于镓的三个太阳中微子实验（SAGE、Gallax和GNO）的数据进行加权平均。
• 在太阳中微子振荡模型中假设锗-71的两个最低激发态的捕获截面为零，以解决数据差异。
• 利用测量的捕获率计算太阳中微子的pp中微子通量，并与标准太阳模型预测值进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 能量高于233 keV的太阳中微子在金属镓中的捕获率是多少？
• RQ2 在1989年至2007年共18年的数据收集期内，太阳中微子产生率是否保持恒定？
• RQ3 为何使用³⁷Ar和⁵¹Cr中微子源时，观测捕获率低于标准太阳模型的预测值？
• RQ4 锗-71中两个最低激发态的中微子捕获截面对整体捕获率有何影响？
• RQ5 测量得到的pp中微子通量与标准太阳模型预测值相比如何？

主要发现

• 能量高于233 keV的太阳中微子在镓中的捕获率为65.4 (+3.1/-3.0) stat (+2.6/-2.8) syst SNU。
• SAGE、Gallax和GNO结果的加权平均值为66.1 ± 3.1 SNU，不确定性按平方和合并。
• 在³⁷Ar测试中，观测与计算捕获率的比值为0.87 ± 0.05，表明锗-71低激发态的截面被高估。
• 若假设这些激发态的截面为零，则包含中微子振荡的标准太阳模型预测捕获率为63–66 SNU，与数据高度一致。
• 测量得到的pp中微子通量为(6.0 ± 0.8) × 10^10 个/cm²·秒，与标准太阳模型预测一致。
• 数据表明太阳中微子产生率无显著时间变化，支持观测期间通量恒定的假设。